i-3. fonctionnement des synchronisateurscsidoc.insa-lyon.fr/these/2004/lovas/08-partie1b.pdf · le...
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I-3. Fonctionnement des synchronisateurs
Le premier pas vers la modélisation du processus de changement de vitesses est
l’étude du fonctionnement du synchronisateur. Les différentes pièces étant connues
individuellement, on présente dans ce paragraphe le fonctionnement de l’ensemble, les
interactions, et le rôle de chaque pièce étape par étape. Pour relier la description à la réalité,
on présente un diagramme de fonctionnement idéal représentant les variables caractéristiques
du processus pour chaque étape. Il ne faut pas oublier que dans la boîte, le synchronisateur
tourne continuellement, et baigne dans l’huile.
Lors des essais, on obtient des diagrammes du type représenté sur la figure I-28. Les
phases principales de fonctionnement sont facilement identifiables. Pourtant, leur explication
et description en détail sont compliquées à cause du grand nombre de pièces interagissant,
transmettant des efforts et se déplaçant en un intervalle de temps très réduit. Les efforts
agissant sur les pièces sont étudiés en détail dans l’Annexe 2.
Fig. I-28 Exemple de diagramme idéalisé
Le fonctionnement d’un synchronisateur se déroule dans l’ordre suivant:
Point mort
Armement
Synchronisation
Dévirage de la bague+Vol libre Dévirage de la roue + Vol libre
24
I-3-1. Point mort
Aucune vitesse n’est enclenchée. Le baladeur est verrouillé en position centrale (Fig. I-29, I-
30, I-31).
Fig. I-29 Point mort
Fig. I-30 Diagramme du point mort
Fig. I-31 Synchronisateur au point mort
Pour renforcer l’analyse bibliographique, des résultats de visualisation (Fig. I-31) avec
caméra rapide [43] ont été introduits dans ce texte. Les essais ont été faits chez Federal Mogul
sur un banc d’essais de boîte de vitesses. Une boîte JH a été modifiée pour accéder à la zone
de synchronisation. Le baladeur a aussi été usiné pour voir les cannelures (griffes) des
A
A - A
A
25
différentes pièces. L’objet de cette visualisation était de détecter les mouvements relatifs (soit
axiaux, soit en rotation) des différentes pièces du synchronisateur.
I-3-2. Armement
Durant cette phase, la commande du synchronisateur impose une vitesse axiale
constante au baladeur (Fig. I-32).
Fig. I-32 Lois de vitesse axiale et de force axiale
Le baladeur avance pour combler les jeux de fonctionnement (Fig. I-33a). Il entraîne
les doigts d’armement avec les billes. Le jeu axial entre les doigts et la bague disparaît, et les
doigts butent sur les bossages de la bague. Le baladeur poursuit son chemin, entraînant la
bague. Quand la bague arrive suffisamment près de la roue, les billes du verrouillage rentrent
dans leur logement, car les doigts ne peuvent plus suivre le mouvement du baladeur.
Cependant, la bague fait sortir la majeur partie de l’huile de l’espace entre les surfaces
coniques, et un couple de frottement visqueux de plus en plus fort apparaît, détournant la
bague. Ceci est dû à l’apparition d’une force axiale hydrodynamique. La force de commande
doit vaincre cette force pour comprimer, puis écraser et évacuer le film d’huile se trouvant
entre les surfaces coniques. Grâce aux gorges de dégagement d’huile, l’écrasement se fait
avec une force axiale relativement petite. Le jeu tangentiel entre la bague et le baladeur
s’efface, et les chanfreins du baladeur butent sur les chanfreins de la bague (Fig. I-33b).
La durée de cette phase est de l’ordre de 0,05 s. Elle varie en fonction de la distance à
parcourir et de la vitesse axiale du baladeur.
vax
t Fax
t
26
Fig. I-33a Armement, phase 1: le jeu axial disparaît
Fig. I-33b Armement, phase 2: le jeu tangentiel disparaît
Fig. II-34 Diagramme de la phase d’armement
Impulsion pour démarrer le baladeur et pour comprimer les ressorts de verrouillage
Le couple de frottement se forme
A AA A
A - A A - A
27
a) b)
Fig. I-35 Disparition du jeu axial (a) et tangentiel (b)
I-3-3. Synchronisation
Le mouvement axial du baladeur est arrêté. La force axiale augmente jusqu’à son
maximum et y reste jusqu’à la fin de la phase (Fig. I-36 – I-38). Sous l’effet de la force axiale
et de la différence de vitesse angulaire, un couple de frottement mixte se forme sur les
surfaces coniques, car les gorges de la bague ont évacué presque toute l’huile. Ce couple sert
à égaliser les vitesses de rotation de la bague de synchronisation et de la roue. En même
temps, un couple dit d’interdiction agit sur les griffes de la bague, entre les chanfreins du
baladeur et de la bague. L’équilibre de la bague est exprimé par les équations suivantes.
L’effet de tout autre facteur tel les couples résistants des roulements ou la variation des
coefficients de frottement est pris en compte soit par un facteur de positivité expérimental
(introduit dans les pages suivantes), soit par le calcul approché des facteurs.
Fig. I-36a Début de la synchronisation
Fig. I-36b Fin de la synchronisation
28
Fig. I-37 Synchronisation
Fig. I-38 Diagramme de la phase de synchronisation
Le premier couple est relatif au cône de frottement de demi-angle au sommet α. On
peut définir un rayon moyen r1 et un couple de frottement M1:
111 sin rFfM ax ⋅⋅= α
La condition de non coincement dans ce cas est:
f1<tg α
Selon cette condition, si f1=0,1 alors α>5,7° et si f1=0,15 alors α>8,5°.
A - A
AA
29
Fig. I-39 Synchronisation
Le second couple est relatif aux crabots ou griffes extérieures qui présentent un demi-
angle de chanfrein β (demi-angle de dièdre). On peut définir un rayon moyen r2 (qui dépend
de la géométrie du contact sur les dièdres et qui est estimé suivant un cercle primitif
théorique) et un couple de frottement M2 d’origine différente de celle du cône, appelé couple
de dévirage. Avec f2=tg ρ (si f2=0,05 alors ρ=2,86°), on obtient:
( ) 22
2 rtgFM ax ⋅+= ρβ
Pour assurer un fonctionnement correct c’est-à-dire rendre possible la phase d’interdiction
(mouvement relatif entre le cône du pignon et la bague de synchronisation et pas de
mouvement relatif entre le crabot et la bague), il faut que:
M1 > M2
Avec 111 sin rFfM ax ⋅⋅= α et ( ) 22
2 rtgFM ax ⋅+= ρβ , on obtient:
( )2211
sin ρβα +>⋅tg
rfr
On définit alors un facteur de positivité Fp qui est le rapport de M1 à M2, supérieur à 1. Dans la
pratique, on prend un facteur Fp compris entre 1,15 et 1,4 ce qui entraîne des conditions sur
les limites de variation des coefficients de frottement sur le cône et sur les griffes (Fig. I-40).
A la limite, la valeur minimale de ρ2 étant zéro, la condition suivante doit être vérifiée:
( )βα tgrFfr
p211
sin ⋅=⋅
ou bien
112 sin
frrFtg p ⋅⋅⋅= αβ
d’où compte tenu de l’incertitude sur les mouvements et sur le sens du frottement:
30
211
2211
2 sinsin ραβρα +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅⋅⋅<<−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅⋅⋅ fr
rFarctgfrrFarctg pp
De même l’arc-boutement apparaîtra pour β+ρ2=π/2 d’où:
β < π/2-ρ2
Fig. I-40 Définition de l’équilibre de la bague de synchronisateur
Fig. I-41 Définition des limites de frottement (spécifique au synchronisateur)
β
ρ2 Ftg
n
Fax
Mouvement baladeur / bague (mouvement d’avance circonférencielle)
Force axiale Fax
X
Z
α r1
r2
M1
Vue en coupe de la bague
Facteur de positivité
Fp
Coefficient de frottement sur le cône f1
Coefficient de frottement sur le chanfrein f2
Mouvement baladeur / bague(mouvement d’avance axiale)
n
ρ1 α Frad
Fax
Vue de dessus de la bague
Y β
v X
M2
31
Ainsi on constate que plus le couple de frottement de cône M1 augmente plus l’angle
de dièdre 2β doit diminuer et inversement (cela dans des proportions raisonnables qui assurent
toujours la résistance mécanique de l’ensemble). Dans la pratique, l’angle β peut varier entre
40 et 60°.
Fig. I-42 Augmentation de l’angle de dièdre avec une force axiale constante
Lors du choix de l’angle β , il faut également prendre en compte l’effet des pertes dans
la boîte des vitesses sur la synchronisation. Durant la montée en vitesses, ces effets
s’additionnent au couple de frottement M1, durant la descente en vitesses ils se soustraient.
Ainsi, on peut définir des angles β différents pour chaque cas tels que βmon<βdes. Comme le
sens de la vitesse relative de la bague synchro lors des montées et descentes ne varie pas,
toujours le même côté sera utilisé pour les montées et le même pour les descentes. On obtient
des griffes à chanfrein asymétrique, comme on voit sur la figure I-43. Le vecteur de la vitesse
tangentielle pointe toujours sur βdes, car c’est dans ce cas qu’il faut accélérer la roue.
Fig. I-43 Dièdres asymétriques
L’énergie cinétique supplémentaire est transformée en chaleur. Cette chaleur est
supposée être absorbée par la bague et par la roue. La température de surface augmente et cela
vtg
βdes
βmon
Fax
Ftg
Fax
Ftg
32
influence la viscosité de l’huile restant entre les surfaces coniques. La chaleur absorbée cause
la dilatation de la bague de synchronisateur, donc l’augmentation du diamètre effectif [11].
On suppose que la masse de la roue à synchroniser est telle que l’échauffement résultant est
négligeable. On suppose également, que la rigidité de la bague de synchronisateur est si petite,
que sa déformation sous la force axiale compense l’erreur d’angle de conicité entre les
surfaces coniques [38].
La fin de la phase est déterminée par la condition d’égalité des vitesses angulaires de
la bague et de la roue. Durant la phase de synchronisation, la commande fait varier la force et
la vitesse axiale au niveau du baladeur comme représenté sur la figure I-44.
Fig. I-44 Lois de vitesse axiale et de force axiale
Comme la force axiale et le couple résistant varient au début de la phase, on assiste à
un court phénomène de stick-slip axial au niveau des cannelures du baladeur sur le moyeu,
produisant une petite oscillation de force axiale. Etant donné que la vitesse de glissement
varie continuellement sur les surfaces de frottement coniques durant la synchronisation, en
présence d’une force de commande axiale également variable, le stick-slip y apparaît
également [14]. Ce stick-slip produit des oscillations au niveau du déplacement de la roue
synchronisée, d’amplitude proportionnelle à la vitesse de glissement. Ces oscillations,
superposées à la variation de la vitesse angulaire venant de la synchronisation (Fig. I-45),
excitent la partie synchronisée.
a) originale b) perturbée
Fig. I-45 La vitesse axiale
ωR
t
ωR
t
vax
t Fax
t
33
Dans notre cas, la partie synchronisée est un système torsionnel à un ou plusieurs
degrés de liberté. Sous l’excitation, il donne une réponse dynamique, qui se manifeste comme
une oscillation torsionelle, perceptible sur les surfaces coniques de la roue. Le couple résultant
peut être transmis à la bague de synchronisation. Comme la bague de synchronisation est
couplé au baladeur au niveau des griffes, cet effet sera également perçu au baladeur, sous
forme d’oscillations axiales. Etant donné que c’est également au niveau du baladeur que la
force axiale est appliquée, elle doit donc faire face à la combinaison des deux forces
mentionnées: celle assurant le frottement et celle issue de la réaction du système torsionnel
(Fig. I-46)
Fig. I-46 Composants de la force axiale
Du pommeau du levier de vitesses au baladeur, le chemin de la force peut être
également modélisé comme un système oscillatoire longitudinal à 2 degrés de liberté (Fig. I-
47) [17], [34]. En fonction de l’élasticité et de l’amortissement présents dans ce système, les
oscillations du baladeur peuvent être absorbées ou amplifiées au niveau du levier de vitesses.
Fig. I-47 Modèle dynamique du mécanisme de changement
Au niveau des griffes, l’oscillation torsionelle peut avoir des effets désagréables. En
effet, l’interdiction d’enclenchement de la vitesse avant le synchronisme est assuré par la
force opposée au baladeur présente au contact des griffes. Si cette force résistante commence
à varier, cela perturbe l’équilibre d’interdiction. Ainsi, le baladeur peut avancer axialement
par rapport à la bague (Fig. I-48). Si l’avancement est trop rapide, le baladeur peut dépasser
les griffes avant que le synchronisme soit atteint. Dans ce cas, l’enclenchement des vitesses se
Fax
N
Ndyn
m2 m1
s1
k1
s2
k2
Fa Fsync
34
fera avec craquements (ou croquements), provoquant de grands pics de force axiale et une
usure rapide des griffes.
Fig. I-48 Avancement du baladeur lors des perturbations
La durée de la phase est de l’ordre de 0,4 s. Elle varie en fonction de l’inertie à synchroniser,
de la différence de vitesse angulaire initiale et de la force axiale.
I-3-4. Dévirage de la bague
Fig. I-49 Dévirage de la bague
Fig. I-50 Diagramme de la phase de dévirage de la bague
Bosse désignant l’entrée en contact du baladeur avec la roue
Fax N
Fax N
Fax
AA
A - A
35
Fig. I-51 Dévirage de la bague
Fig. I-52a Début du dévirage
Fig. I-52b Fin du dévirage
Le dévirage est la phase qui existe quand le baladeur détourne la bague de
synchronisation pour pouvoir avancer (fig. I-49 – I-52). Il commence au moment où le
synchronisme des vitesses angulaires est atteint. Cet équilibre est aussitôt perturbé, car pour
détourner la bague, il faut modifier sa vitesse. Le phénomène de désynchronisation de la roue
est décrit chez plusieurs auteurs [6], [12], [25], [34], il est attribué aux oscillations
torsionnelles dans la chaîne de transmission, ou au couple des pertes [6], [25].
Au début du dévirage, la force axiale diminue selon une loi imposée par la commande.
La diminution de la force, couplée à la disparition de la grande différence de vitesse angulaire
sur les surfaces coniques, mène à l’arrêt de la production de chaleur. Comme les inerties
thermiques de la bague et de la roue sont très différentes, celle de la roue étant supposée très
supérieure, on suppose que la chaleur de la bague est transférée rapidement dans la roue. Suite
à cela, la bague reste collée sur le cône de la roue dans une position déformée, dilatée [11]. La
pression résiduelle est supposée être grande, ainsi le dévirage de la bague entraîne également
la roue, qui entraîne à son tour l’inertie de toute la partie synchronisée. Derrien [5] suppose
36
que la bague de synchronisateur se sépare de la roue au moment du dévirage, mais elle ne
donne pas d’explications à cela. Murata et al. [25] inclut implicitement le même phénomène
dans son modèle. Derrien, de même que Murata et al. ne donnent pas de raisons pour ce
phénomène, et sachant que l’angle de conicité est voisin de celui de coincement, on suppose
que le coincement de la bague est très probable. En effet, sur le film du processus de
synchronisation [43], on ne voit pas le phénomène de séparation et de différence de vitesse
angulaire dans cette phase (de l’ordre de 20-40 t/min), ceci conforte l’explication précédente.
L’interdiction étant levée, le baladeur continue son déplacement axial avec une
accélération constante pour atteindre la vitesse axiale souhaitée le plus rapidement possible.
Ceci implique une accélération angulaire εR également constante. De cela, l’équation de
l’équilibre du baladeur:
RRperteax MtgftgfrF εθββ ⋅=++
⋅−⋅⋅2
22
1
La figure I-53 représente l’équilibre des efforts au moment du dévirage de la bague de
synchronisateur. La force axiale Fax fait avancer le baladeur contre le chanfrein de la griffe de
la bague de synchronisateur. La force résistante aux chanfreins N a deux composantes. Celle
perpendiculaire à la force axiale produit le dévirage de la bague et de la roue à une
accélération tangentielle εR calculable. De cette accélération, on obtient la vitesse tangentielle
vtg.
Fig. I-53 Equilibre des forces en phase de dévirage de la bague
Pour assurer l’accélération du baladeur et le détournement de la roue et des pièces y
étant liées, la diminution de la force axiale doit être bien choisie. Si la force diminue trop
rapidement, la durée de changement de vitesses augmente de façon sensible. Par contre, si elle
reste à la valeur de synchronisation, cela ne permet pas l’amortissement des oscillations (dues
au stick-slip axial), qui apparaissent au niveau des cannelures baladeur-moyeu à cause de la
variation de la vitesse axiale et du couple de pertes. La fin de la phase est atteinte quand
Fax N
vtg Ffr2
β+ρ2 NFtg
Fax
37
l’arête finale du baladeur quitte celle de la bague synchro. La durée de la phase est de l’ordre
de 0,075 s.
Fig. I-54 Lois de vitesse axiale et de force axiale
I-3-5. Vol libre
Fig. I-55a Début du vol libre
Fig. I-55b Fin du vol libre
Durant cette phase, le baladeur passe à travers les griffes de la bague synchro (Fig I-
55). Ce processus dure du moment où les chanfreins de la bague et du baladeur se quittent au
moment où les premiers arêtes des chanfreins du baladeur et des griffes de la roue peuvent
entrer en contact. En fonction de l’accélération axiale de la phase précédente, la vitesse axiale
peut être déjà constante au début de la phase, et le rester pour toute la durée, ou elle peut
encore augmenter durant le début et se stabiliser pour la fin (Fig. I-56).
Fig. I-56 Lois de vitesse axiale et de force axiale
vax
t Fax
t
vax
t Fax
t
38
La force axiale doit vaincre la résistance des couples de perte. Cela entraîne une force
tangentielle au niveau des griffes, qui donne naissance à une force de frottement axial sur les
côtés des cannelures. Ici, le phénomène stick–slip peut se produire si les conditions aux
limites nécessaires pour son apparition sont respectées. L’équation de l’équilibre du baladeur:
22 r
MfF perteax ⋅=
La durée de la phase est de l’ordre de 0,02 s.
Fig. I-57 Equilibre des forces en phase de vol libre
I-3-6. Approche de la roue
Fig. I-58a Début de l’approche de la
roue
Fig. I-58b Fin de l’approche de la roue
Fig. I-59 Lois de vitesse axiale et de force axiale
Au début de la phase, l’arête avant du chanfrein de la roue et celui du baladeur peuvent
théoriquement entrer en contact. A la fin de la phase, la distance normale entre les chanfreins
Fax Ftg
Ffr2
vax
t Fax
t
39
est très petite, soit h=10-4 m [5]. Durant l’approche de la roue, tout comme durant le vol libre,
la seule résistance est la force de frottement sur les côtés de cannelures, venant du couple de
pertes. La commande fait avancer le baladeur à une vitesse axiale constante, et la force axiale
est également constante (Fig. I-59).
Ici, le baladeur entre parmi les griffes de la roue. Comme le seul contact entre la bague
de synchronisateur et la roue est le couple de frottement, la position relative des griffes de la
bague et de la roue est complètement aléatoire à la fin de la synchronisation. De ce fait,
l’entrée parmi les cannelures se fait dans une position indéfinie. Cet effet est pris en compte
en utilisant un facteur ξ qui détermine la position d’entrée dans un pas p. Le contact peut se
réaliser sur le chanfrein avant ou arrière du baladeur, en fonction du paramètre ξ, de la vitesse
axiale du baladeur, la différence de vitesse angulaire et de l’épaisseur de la griffe. L’équation
de l’équilibre du baladeur:
22 r
MfF perteax ⋅=
La durée de la phase est de l’ordre de 0,005 s.
Fig. I-60 Equilibre des forces en phase d’approche de la roue
I-3-7. Montée de la deuxième bosse sur le diagramme d’efforts
Fig. I-61a Début de la deuxième bosse
Fig. I-61b Fin de la deuxième bosse
La deuxième bosse se produit quand le baladeur rencontre les griffes de la roue à
synchroniser. La commande impose une vitesse axiale constante (Fig. I-62). Au début de la
phase, le baladeur est très près de la roue, à h=10-4 m. Le baladeur a atteint le film d’huile
formé sur les chanfreins des griffes de la bague, et la force axiale commence à augmenter
Fax Ftg
Ffr2
40
rapidement car il faut vaincre l’élasticité et l’amortissement de la couche d’huile. L’élasticité
de la couche est de l’ordre de 106 N/m [5].
Fig. I-62 Lois de vitesse axiale et de force axiale
A une distance encore plus petite, soit à h=10-5 m, on suppose que l’élasticité du
contact sur les griffes entre en jeu. Le baladeur commence à pousser les griffes de la bague
pour la déplacer, et l’arracher de sa position coincée. Ici intervient l’écrasement partiel des
rugosités de surface, augmentant considérablement la rigidité de contact à un niveau de 3·106
N/mm. Si l’arrachement n’a pas lieu, l’enclenchement de la roue est impossible. Donc, il faut
pousser le baladeur pour qu’il pousse la bague jusqu’à ce qu’il arrive à l’arracher au cône. La
libération de la bague se produit au moment où la composante tangentielle de la force normale
aux chanfreins N va être plus grande, que la force de frottement statique due au coincement.
Jusqu’à la libération de la bague, le baladeur ne peut plus avancer, et la commande du
changement augmente la force axiale pour vaincre l’obstacle. Cette augmentation de la force
axiale est appelée montée de la deuxième bosse. La force de frottement statique peut être
calculée à partir de la déformation subie par la bague à case de l’échauffement et l’erreur de
l’angle de conicité.
Fig. I-63 Equilibre des forces en phase de deuxième bosse
A partir des figures I-64 et I-65, on peut écrire les équations d’équilibre des forces agissant
sur le baladeur:
Fax=N·sinβ+f3·N·cosβ-N2·sinκ+f2·N2·cosκ
Fax
N Ftg
Ffr3
Ffr2
vax
t Fax
t
41
Ftg=N·cosβ-f3·N·sinβ=N2·cosκ+f2·N2·sinκ
a) κ>ρ2 b) κ<ρ2
Fig. I-64 Triangle vectoriel des forces en phase de deuxième bosse
Fig. I-65 Angles β et κ sur le baladeur
Ici, Fax est la force axiale extérieure agissant sur le baladeur, et Ftg la force tangentielle
dévirant la bague de synchronisateur, venant de la force normale N aux chanfreins. On
suppose que c’est cette force tangentielle Ftg qui libère la bague de synchronisation de sa
position collée au cône de la roue. Aussitôt que la bague est en mouvement, le coefficient de
frottement aux surfaces coniques chute de la valeur statique à la valeur dynamique. Ainsi, la
force axiale agissant sur la bague Fax,bague couplée à la force d’élasticité de la bague peuvent la
séparer axialement du cône de frottement de la roue. Le sens et la taille de cette force est
influencée par les angles κ et ρ2. Si κ>ρ2 alors Fax,bague pointe en sens opposé au cône (Fig. I-
64a). Elle diminue la force axiale au niveau du baladeur, et aide la séparation. Si κ<ρ2 (Fig. I-
64b) alors Fax,bague pointe vers le cône de la roue, et s’oppose à la séparation. En même temps,
elle augmente la force axiale à exercer sur le baladeur.
La montée de la force axiale entraîne la montée de la force tangentielle, qui à son tour,
fait apparaître de nouveau le stick-slip axial sur les côtés des cannelures du moyeu et du
baladeur. En plus, cette montée agit comme une excitation par échelon unité sur le système
torsionnel de la partie synchronisée. Donc, on aura une réponse dynamique apparaissant au
niveau des griffes. Cette réponse sera transmise au baladeur, et de nouveau, cela excitera le
système oscillant du mécanisme de changement de vitesses. Ainsi, la force axiale au niveau
β
κ
Fax
Ftg
Fax, bague
N2
ρ2β N
κ
Ffr3
ρ3
Ffr2
ρ2 β
N2
N
κ
Ftg
Fax, bague Fax
ρ3
Ffr3
Ffr2
42
du baladeur se composera de nouveau de deux composantes: de la force de résistance à
l’élasticité et de la force de réaction dynamique.
La durée de la phase est de l’ordre de 0,002 s.
I-3-8. Dévirage de la roue
Durant cette phase, le baladeur dévire la roue. Le début de la phase est le contact
initial des chanfreins, en une position aléatoire. La fin est la rencontre des arêtes arrières des
chanfreins de la roue et du baladeur. Comme la projection axiale des chanfreins est très
courte, la durée de la phase va l’être également, en fonction de la vitesse axiale.
Fig. I-66 Dévirage de la roue
Fig. I-67a Début du dévirage de la roue
Fig. I-67b Fin du dévirage de la roue
Dans cette phase, la commande assure une vitesse axiale constante (Fig. I-68). La
commande de la force axiale se passe de la même façon que pour le cas de la dévirage de la
bague de synchronisateur. La force doit diminuer selon une pente donnée jusqu’à sa valeur de
vol libre.
43
Fig. I-68 Lois de vitesse axiale et de force axiale
A cause du dévirage, de nouveau une désynchronisation des vitesses angulaires se
produit [34]. La différence de vitesse angulaire dépend de la position de contact des griffes et
du sens de changement de vitesses (montée ou descente). A la fin de cette phase, le
synchronisme final des vitesses angulaires est atteint.
L’équation de l’équilibre du baladeur:
RRperteax MtgftgfrF εθββ ⋅=++
⋅−⋅⋅3
32
1
Fig. I-69 Equilibre des forces en phase de dévirage de la roue
Au moment de l’arrachement de la bague, la force tangentielle, donc celle axiale aussi,
chutent. Ceci est perçu de nouveau comme une excitation par une fonction échelon unité
inverse. On obtient une réponse dynamique du système torsionnel qui excite à son tour le
mécanisme de changement. Ici aussi, la réaction dynamique peut être une oscillation
tangentielle si forte, que cela peut donner la perte de contact sur les chanfreins. Dans de tels
cas, le baladeur avance tant qu’il y a de la place disponible, car la commande maintient la
vitesse axiale constante. La force de stick-slip axial due aux cannelures ne joue pas de rôle,
car la force tangentielle diminue brusquement, est reste très petite.
Comme la force axiale initiale est très grande à l’arrachement, on doit faire attention
seulement à ce que la pente ne soit pas trop brusque. Pour le calcul de cette pente, on doit être
très prudent. En effet, le contact chanfrein-chanfrein se fait dans une position aléatoire,
quelque part entre l’arête avant et l’arête arrière du chanfrein de la roue. Ainsi, on a intérêt à
Fax N
Ffr3
vtg
vax
t Fax
t
44
calculer avec le cas le plus défavorable, où le contact a lieu juste après l’arête avant du
chanfrein de la roue (Fig. I-70). En faisant cela, on peut imposer une pente descendante
suffisamment large pour obtenir la robustesse de la commande de la force.
a) cas défavorable b) cas favorable
Fig. I-70 Contact des chanfreins et pentes de force associées
La durée de la phase est de l’ordre de 0,025 s. Elle peut varier fortement en fonction de
la position relative des rangées de griffes à la rencontre du baladeur et de la roue.
I-3-9. Vol libre final
Le début de la phase est la rencontre des arêtes arrières des chanfreins de la roue et du
baladeur. Le baladeur continue son chemin parmi les griffes de la roue à vitesse axiale
constante (Fig. I-71). A la fin, il se heurte contre le flanc de la roue. Ceci étant fait, le
synchronisateur est prêt à transmettre la puissance. Pour empêcher le relâchement des
cannelures sous charge, les flancs des cannelures du baladeur et de la roue sont usinés, et
disposent d’un angle κ dit d’anti-lâcher. Ainsi, il faut une force non négligeable pour la
séparation.
Fig. I-71 Lois de vitesse axiale et de force axiale
Fax vtg
Fax
vtg
Fax
t
Fax
t
vax
t Fax
t
45
Fig. I-72 Dévirage de la roue
Fig. I-73 Diagramme de la phase de crabotage
Fig. I-74 Fin du vol libre final
AA
A - A
46
Fig. I-75a Début du vol libre final
Fig. I-75b Fin du vol libre final
La force axiale est très petite. Elle doit faire face aux couples de perte et à la force de
frottement qui en résulte (Fig. I-71). Du stick-slip peut apparaître sur les flancs des griffes en
cas de conditions adéquates. L’équation de l’équilibre du baladeur:
23 r
MfF perteax ⋅=
Fig. I-76 Equilibre des forces en phase de vol libre final
La durée de la phase dépend de la distance à parcourir et de la vitesse axiale du
baladeur. En général, elle est similaire à celle du vol libre, de l’ordre de 0,025 s.
I-3-10. Conclusion de la description du fonctionnement des synchronisateurs
Les synchronisateurs ont été élaborés pour faciliter le changement des vitesses et pour
diminuer la charge et usure des griffes de crabotage en annulant la vitesse relative entre le
baladeur et la roue à engager. Cette étude bibliographique des phases de fonctionnement et
une réflexion sur le fonctionnement basée sur les observations montre clairement que
l’annulation de la vitesse relative n’est pas atteinte de façon définitive. En effet, le
synchronisme est atteint, puis perturbé deux fois avant la troisième perturbation finale. Ceci
donne naissance à des oscillations et des phénomènes difficilement maîtrisables au niveau de
la force axiale et des vitesses angulaires, qui influencent directement la perception du confort
de changement de vitesses.
Tout ce qui était vu dépend du pilotage de la force axiale exercée et de la vitesse axiale
imposée au baladeur. Les lois du pilotage seront présentées dans le chapitre III.
Fax Ftg
Ffr3